Крип в материалах: причины, стадии, измерение и способы предотвращения

Крип (также известный как «холодная текучесть») — это склонность твердого материала к медленному необратимому деформированию под действием постоянных механических нагрузок. Инженеры и металлографы особо обращают внимание на крип при расчете элементов, работающих под высокими нагрузками или при высоких температурах. Крип — это механизм деформации, который может, а может не приводить к отказу детали. В данной статье подробно разбираются следующие вопросы:

• Что такое крип в материале?
• Каковы стадии крипа материала?
• Что такое криповое предельное напряжение (creep strength)?
• Каковы типы криповой деформации?
• Где встречаются типичные примеры крипа?
• Как измеряется криповая прочность?
• Как минимизировать или избежать криповой деформации?

Что такое крип в материале?

Крип — это тенденция твердого материала к медленному движению или необратимой деформации под воздействием постоянных механических нагрузок. Он может возникать в результате длительного воздействия напряжений, которые все еще ниже предела текучести материала. Длительное воздействие высоких температур усугубляет крип, и он становится особенно интенсивным по мере приближения температуры к точке плавления. Скорость деформации зависит от свойств материала, времени воздействия, температуры и величины приложенной нагрузки.

В зависимости от интенсивности и длительности приложенного напряжения деформация может нарастать до такой степени, что деталь перестает выполнять свою функцию. Например, крип лопасти турбины может привести к ее контакту с обтекателем и аварии. При расчете высоконагруженных и высокотемпературных компонентов инженеры всегда учитывают крип. При этом сам по себе механизм крипа не всегда является режимом отказа.

Например, некоторые инженеры по бетону считают умеренный крип полезным, так как он расслабляет растягивающие напряжения, которые иначе могли бы вызвать трещины. В отличие от хрупкого разрушения, криповая деформация не возникает мгновенно при приложении нагрузки. Вместо этого постоянное напряжение приводит к накоплению деформации во времени. Поэтому крип называют «зависящей от времени» деформацией.

Стадии крипа материала

Крип — это вид деформации металлов при нагрузках ниже предела текучести, обычно при высоких температурах. Выделяют три стадии:

• Первичная (I стадия)
• Вторичная / стационарная (II стадия)
• Третичная (III стадия)

Первичная стадия (I)

В начале процесса деформации происходит первичный крип. Сначала возникает упругая деформация за счет растяжения атомных связей. Затем начинается постоянная пластическая деформация. На этой стадии скорость крипа изначально высока, но затем замедляется со временем. Причиной снижения скорости к концу I стадии является отвердевание при деформации (work hardening).

Вторичная стадия (II)

Вторичный крип начинается, когда скорость деформации стабилизируется и становится постоянной. По сравнению с первой и третьей стадиями, деформация на II стадии протекает очень медленно. Поскольку микроструктурных повреждений еще нет, скорость крипа постоянна и невысока. Эта стадия часто является самой длительной по времени.

Третичная стадия (III)

Третичный крип завершает процесс. Он начинается, когда микроструктура металла повреждена. По мере прогрессирующего ухудшения микроструктуры (образование пустот, трещин) скорость деформации возрастает. В конечном итоге металл разрушается, когда накапливается достаточное количество микроструктурных дефектов.

Что такое криповая прочность (creep strength)?

Материал по-разному реагирует на кратковременное высокое напряжение и на длительное удержание нагрузки. При постоянном механическом воздействии материал медленно деформируется необратимо. Эта врожденная склонность называется крипом. На начало и развитие крипа влияют температура, время, напряжение и состав сплава. Скорость криповой деформации — это относительное удлинение за единицу времени. Знание крипа критически важно для инженерных приложений, работающих при высоких температурах и нагрузках: паровые трубопроводы, авиационные двигатели, газовые турбины (диски и лопасти).

Криповый предел (creep limit) или криповая прочность (creep strength) характеризуют способность материала противостоять крипу. Это напряжение, при котором скорость крипа остается стабильно низкой в течение заданного времени. Иными словами, это максимальное напряжение, которое материал может выдержать без значительной деформации за установленный период.

Типы криповой деформации

Существует несколько механизмов крипа: дислокационный крип, диффузионный крип (объемный или по границе зерен), крип с подъемом дислокаций и скольжением, термически активированный скользящий крип. Все эти механизмы зависят от температуры деформации, уровня напряжения, микроструктуры и химического состава материала.

Примером бытового крипа может служить залом сварной ж/д рельсы под прямыми солнечными лучами: сталь испытывает растяжение и текучесть. При умеренном крипе бетон может трескаться, что иногда даже выгодно, так как снижает растягивающие напряжения в конструкции. У полимеров под постоянной нагрузкой наблюдается вязкоупругий крип — возрастающая во времени деформация.

Типичные примеры проявления крипа

Крип чаще всего проявляется в приложениях с высокими температурами и нагрузками. Рамы автомобилей, работающие при низких статических нагрузках и температурах, рассчитываются в основном на ударную прочность. В то же время детали двигателя внутреннего сгорания, подверженные высоким нагрузкам и температурам, могут подвергаться крипу при неверном выборе материала.

Классические примеры: ядерная энергетика, детали промышленных двигателей, накаленные металлические нити, компоненты реактивных двигателей, высокотемпературные трубопроводы под давлением.

Как измеряется криповая прочность?

Для оценки криповой прочности используется машина для испытаний на длительную прочность (creep-testing machine). Она измеряет деформацию образца под постоянной нагрузкой при заданной температуре. Результаты строят в виде кривой «деформация — время», на которой четко прослеживаются три стадии: первичный крип, стационарный (вторичный) и третичный. По графику определяют температуру и время длительности каждой стадии. Криповую прочность (предел) обычно определяют по началу третичной стадии. Критически важно строго термостатировать камеру испытаний, чтобы исключить влияние теплового расширения.

Как минимизировать или избежать криповой деформации?

Криповая деформация, как правило, нежелательна. При проектировании можно принять следующие меры для снижения ее влияния или предотвращения:

• Использовать односвинцовые материалы с крупными зернами для уменьшения скольжения по границам зерен и вводить твердые растворы для устранения микроскопических пустот.
• Применять материалы с высокой температурой плавления.
• Отдавать предпочтение металлам с гранецентрированной кубической решеткой (FCC) вместо объемно-центрированных (BCC), так как у FCC ниже коэффициенты диффузии.
• Использовать материалы с высоким модулем сдвига или целевое легирование.
• По возможности снижать рабочую температуру детали (зависит от приложения).

Заключение

Криповая деформация — как правило, нежелательное явление. Для снижения ее влияния или предотвращения следует соблюдать перечисленные выше меры. В материаловедении крип определяется как тенденция твердого материала к медленному движению или постоянной деформации под воздействием постоянных механических напряжений.

В этой статье были рассмотрены ответы на все поставленные вопросы. Надеемся, материал был полезен — делитесь им с коллегами. Спасибо за чтение!